文| 朱濟帥 鄧廣 田德宇 李海霞 胡永利 吳泰琦

1.海南長光衛(wèi)星信息技術(shù)有限公司

2.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司

3.吉林省衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)重點實驗室

4.海南聚能科技創(chuàng)新研究院

關(guān)鍵字：城市管理；高分辨率影像；應(yīng)用場景

一、引言

隨著我國城市的快速發(fā)展，城市管理已經(jīng)成為一個重要且需要長期面對的問題。當(dāng)前城市在發(fā)展的過程中面臨以下問題：一是城市建設(shè)追求規(guī)模擴張，節(jié)約集約程度不高，違法違規(guī)建筑屢禁不止；二是近岸海域環(huán)境破壞、內(nèi)陸河湖岸線不斷破壞等環(huán)境問題突出；三是城市資源管理方法、管理手段滯后，非法采砂采礦層出不窮；四是自然資源管理、監(jiān)控手段不足，破壞農(nóng)田、林地行為時有發(fā)生[1-2]。針對以上問題，遙感技術(shù)作為一種在不直接接觸的情況下，對目標(biāo)物或自然現(xiàn)象遠距離感知的探測技術(shù)，能夠快速、準確地獲取城市發(fā)展建設(shè)的有關(guān)信息[3]，既可獲取城市宏觀全貌和綜合數(shù)據(jù)，又可獲取城市街區(qū)的微觀圖像和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，全面、高效、實時地揭示城市的發(fā)展變化，為城市管理部門提供決策支持。高空間分辨率影像數(shù)據(jù)可以滿足細節(jié)管理要求，清晰反映地面地物結(jié)構(gòu)、形狀和紋理等比較細小的信息，在城市精細化管理中具有重要地位。高分辨率遙感衛(wèi)星的城市應(yīng)用已經(jīng)成為國際潮流。美國、歐洲、以色列、印度、日本等主要國家和地區(qū)紛紛推出了自己的商業(yè)化高空間分辨率遙感衛(wèi)星系統(tǒng)[4]。我國的衛(wèi)星星座建設(shè)也緊隨其后，特別是2014年以來，國務(wù)院正式發(fā)布了鼓勵社會各類資本投資指導(dǎo)意見，歡迎各類社會資本投資中國的衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射、衛(wèi)星應(yīng)用等有關(guān)領(lǐng)域，我國的高空間分辨率衛(wèi)星星座建設(shè)得到快速發(fā)展。吉林一號衛(wèi)星星座自2015年10月“一箭四星”發(fā)射以來，已成功發(fā)射9次，在軌衛(wèi)星數(shù)量達16顆。吉林一號衛(wèi)星星座的拍攝覆蓋能力逐漸滿足用戶需求，并已在農(nóng)林生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、智慧城市、地理測繪、土地規(guī)劃等各領(lǐng)域提供了及時的遙感信息服務(wù)。

二、吉林一號高分辨率衛(wèi)星概況

目前在軌的吉林一號高分辨率衛(wèi)星共計13顆，最高分辨率如表1所示。吉林一號高分辨率衛(wèi)星具有分辨率高、成像譜段多、重訪時間短、具備快速機動能力、幅寬大等特點，其中紅旗一號-H9寬幅型衛(wèi)星可獲取幅寬大于136km的推掃影像。

表1 吉林一號高分辨率衛(wèi)星概況

三、城市管理高分辨率影像應(yīng)用

1.“兩違”管理

違法建筑、違法用地（以下簡稱“兩違”）的治理是社會治理工程中的一項艱巨任務(wù)，為有效遏制“兩違”行為，切實維護城鄉(xiāng)土地和建設(shè)管理秩序，加快推進生態(tài)文明建設(shè)[5]，利用吉林一號高分辨率衛(wèi)星星座對研究區(qū)域進行了大范圍、高頻次、持續(xù)性的監(jiān)測，獲取多期亞米級衛(wèi)星遙感影像，通過輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正等算法進行遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用先進的深度學(xué)習(xí)算法及人工交互方式，提取建筑物的位置、數(shù)量、面積等信息，結(jié)合已有規(guī)劃數(shù)據(jù)，通過空間標(biāo)準化處理和疊加分析，獲取建筑物變化信息，進而得到了城鄉(xiāng)“兩違”建筑的分布、數(shù)量、面積等信息產(chǎn)品。通過吉林一號衛(wèi)星星座可以針對市縣域級范圍形成月度覆蓋的監(jiān)測頻次，如圖1所示是海南省文昌市會文鎮(zhèn)在2019年9月和10月的影像，結(jié)合歷史影像對比分析和與多規(guī)合一數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行綜合分析，分別獲得9月新增疑似違法建筑圖斑5個，其中落入總規(guī)林地內(nèi)的1個；10月新增疑似違法建筑圖斑8個，其中落入總規(guī)林地內(nèi)的4個。

圖1 會文鎮(zhèn)2019年9月和10月新增疑似違法建筑圖斑

同時借助信息化軟件手段對個人建房（含修繕）審批監(jiān)管、批后建設(shè)監(jiān)管、群眾兩違舉報、工作人員巡查發(fā)現(xiàn)、舉報核查認定、違建處置反饋、督察監(jiān)管、責(zé)任追究、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等環(huán)節(jié)進行全程信息化管理，做到責(zé)任有據(jù)可查、工作成效清晰明了，提高“兩違”監(jiān)管工作效率和管理水平。

2.河道藍線管理

藍線是指城市規(guī)劃確定的江河、湖、水庫、渠和濕地等城市地表水體保護和控制的地域界線[6]。利用吉林一號高分辨率衛(wèi)星影像對河道藍線內(nèi)生態(tài)資源變化情況進行監(jiān)測分析，能夠詳實地掌握水資源現(xiàn)狀、河道破壞情況、河道“四亂”問題和區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，為水安全監(jiān)管、水生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理提供重要數(shù)據(jù)支撐。

研究區(qū)為伊通河流域的河道周邊200m范圍內(nèi)，南起南溪濕地公園，北至北湖濕地公園，河道長度約為27km，流域面積約為54.08km2。利用2016年6月20日和2016年9月19日兩期影像，結(jié)合分類后變化檢測方法對藍線范圍的生態(tài)資源變化情況進行監(jiān)測分析。根據(jù)流域?qū)嵉厍闆r，將生態(tài)資源劃分為人工設(shè)施、植被、水體和裸土四大類型，分析研究區(qū)在3個月內(nèi)的地物轉(zhuǎn)移情況，轉(zhuǎn)移地物主要集中在裸土與植被之間（見圖2）。其中，裸土依次轉(zhuǎn)換為人工設(shè)施、植被和水體的面積分別為2.27、5.59和0.65 km2，裸土轉(zhuǎn)換為植被的區(qū)域主要集中在北湖科技區(qū)，轉(zhuǎn)換為人工設(shè)施的區(qū)域主要集中在南部新城；植被依次轉(zhuǎn)換為裸土、人工設(shè)施和水體的面積分別為1.21、1.20和0.83 km2，植被轉(zhuǎn)換為水體的區(qū)域主要是因為水量增大，河道內(nèi)的植被被水覆蓋；水體依次轉(zhuǎn)換為裸土、人工設(shè)施和植被的面積分別為0.19、0.08和1.90 km2，水體轉(zhuǎn)換為植被的區(qū)域主要集中在北部，其中連片區(qū)域是因為該區(qū)域為水稻種植區(qū)；人工設(shè)施依次轉(zhuǎn)換為裸土、植被和水體的面積分別為1.12、2.51和0.24 km2，其中人工設(shè)施轉(zhuǎn)換為裸土的區(qū)域主要集中在南部新城，主要是因為該區(qū)域為伊通河治理工程重點地域，拆遷的人工設(shè)施較多。

圖2 2016年6月20日至2016年9月19日伊通河流域生態(tài)資源變化情況

3.采砂采礦管理

圖3 會文鎮(zhèn)2019年9月和10月疑似違法采砂采礦圖斑

非法采砂、采礦流動性強，隱蔽性高，人員背景復(fù)雜，情況多變，因此打擊難度大、強度高。通過吉林一號衛(wèi)星星座可以針對市縣域級范圍形成月度覆蓋的監(jiān)測頻次，圖3是海南省文昌市會文鎮(zhèn)在2019年9月和10月的影像，結(jié)合歷史影像對比分析，分別獲得9月新增疑似違法采砂采礦圖斑2處，范圍擴大1處，共計3處；10月新增疑似違法采砂采礦圖斑2處，范圍擴大1處，共計3處。第一時間有效提取疑似違法堆沙、采砂點和采礦點，向執(zhí)法員推送疑似非法采砂采礦的位置以及其他信息供核查和整改。實現(xiàn)快速（第一時間發(fā)現(xiàn)疑似圖斑）、廣域（文昌全境覆蓋）、可靠（天、地共同取證）的監(jiān)管，為依法打擊非法采砂采礦專項行動提供先進技術(shù)保障，大幅度提高工作效率。

4.水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)管理

我國是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，也是世界唯一的養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量的國家，而且目前水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模仍在繼續(xù)快速增長中。在為滿足世界水產(chǎn)品需求做出巨大貢獻的同時，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖正面臨著水環(huán)境狀況日益惡化、社會輿論監(jiān)督、政策與法規(guī)監(jiān)控及水產(chǎn)品品質(zhì)要求日益提高等各方面的壓力，水產(chǎn)養(yǎng)殖日益成為當(dāng)前研究熱點之一。

由于海岸帶陸域范圍內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖的便利性和經(jīng)濟性，大量養(yǎng)殖塘建設(shè)在海岸帶生態(tài)保護區(qū)域內(nèi)，養(yǎng)殖塘內(nèi)氮磷超標(biāo)的廢水經(jīng)暗管直接排入海里，海防林地被不法侵占，造成生態(tài)環(huán)境的極大破壞。而遙感具有探測范圍廣、獲取資料速度快、周期短、時效性強、成本低、經(jīng)濟效益大等優(yōu)點。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，多平臺、多種類、多分辨率的遙感數(shù)據(jù)為水產(chǎn)養(yǎng)殖信息獲取提供了契機，利用遙感影像可以快速識別和定位養(yǎng)殖塘，包含每個養(yǎng)殖塘的邊界輪廓信息，并且含有具體的地理信息。

通過吉林一號衛(wèi)星星座可以針對市縣域級范圍形成月度覆蓋的監(jiān)測頻次，圖4是海南省文昌市會文鎮(zhèn)在2019年9月和10月的影像，結(jié)合歷史影像對比分析，利用基于實例分割的遙感影像養(yǎng)殖塘檢測方法，分別獲得9月露天水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)共計6060處；10月露天水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)共計5864處，從圖像分析可知，露天水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)分布在沿海區(qū)域；由于海水水產(chǎn)養(yǎng)殖的不規(guī)范化，導(dǎo)致尾水肆意亂排，在政府的引導(dǎo)和治理下，有序關(guān)停196處水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，同時水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)正在向集中化和規(guī)模化發(fā)展，摸清區(qū)域的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的空間分布可為養(yǎng)殖塘監(jiān)管、保護海岸帶生態(tài)環(huán)境提供決策支撐和依據(jù)。

圖4 會文鎮(zhèn)2019年9月和10月露天水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)分布

5.住宅地產(chǎn)選址管理

住宅地產(chǎn)的開發(fā)建設(shè)是許多房地產(chǎn)開發(fā)商的重要盈利項目，在住宅地產(chǎn)項目的開發(fā)建設(shè)過程中，項目選址是其中的關(guān)鍵一環(huán)，不僅影響到項目的投入，也很大程度決定了項目的收益。房地產(chǎn)開發(fā)商對于某個住宅地產(chǎn)項目的選址通常都是依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗來決定，主觀性、片面性較強。

以高分辨率衛(wèi)星為基礎(chǔ)，結(jié)合土地利用規(guī)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖、分期開發(fā)規(guī)劃圖、道路交通規(guī)劃圖、公共交通規(guī)劃圖、基礎(chǔ)教育設(shè)施規(guī)劃圖、居住區(qū)級公共服務(wù)設(shè)施規(guī)劃圖、建筑高度控制圖、開發(fā)強度控制圖等數(shù)據(jù)，綜合考慮指標(biāo)的可操作性與科學(xué)性，并與房地產(chǎn)行業(yè)相關(guān)專家商討后，使用層次分析法（AHP），確定了包括地質(zhì)條件、地形條件、配套設(shè)施、基礎(chǔ)設(shè)施、區(qū)域價值、生態(tài)環(huán)境及拆遷成本等11個準則層、包括與污染源距離、綠地面積、與水域距離、地塊面積、建筑高度、容積率、土地利用現(xiàn)狀類型、拆遷建筑面積等34個指標(biāo)層，建立?？谑泻Ｐ闫瑓^(qū)住宅地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)選址的評價模型。根據(jù)?？谑泻Ｐ闫瑓^(qū)控制性詳細規(guī)劃修編中的分期開發(fā)規(guī)劃圖，選擇“近期開發(fā)(2018-2025)”的地塊，提取可用于住宅地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)的“住宅用地”、“商業(yè)住宅混合用地”、“商業(yè)辦公住宅混合用地”地塊，共計18個，作為研究對象。分析結(jié)果如圖5所示，位于椰海大道與海榆中線交界處、萬達廣場對面的地塊，最適合地產(chǎn)開發(fā)商進行競標(biāo)，而位于南海大道周邊的地塊，由于地塊較小、拆遷成本高等原因，在同等條件下不適于開發(fā)商進行競標(biāo)。

圖5 住宅地產(chǎn)選址結(jié)果

6.城市建筑物限高管理

根據(jù)太陽高度角、太陽方位角、衛(wèi)星高度角及衛(wèi)星方位角之間的關(guān)系，可利用陰影與建筑之間的關(guān)系，估算建筑物高度[7]。根據(jù)陰影的形狀特征、光譜特征及空間特征信息，自動化地從遙感影像中提取陰影區(qū)域，并計算陰影長度。圖6為基于吉林一號高分辨率影像提取的陰影區(qū)域，建筑物的陰影可完整準確地提取出來，為建筑物高度估算奠定基礎(chǔ)。

圖6 2016年6月20日建筑物陰影提取結(jié)果

對陰影提取的建筑物高度與收集到的關(guān)于研究區(qū)的一些信息可進行精度驗證。由圖7可知，利用建筑物的陰影對建筑物高度進行估算的結(jié)果與理論樓高的整體趨勢是一致的，除了11、17、20、47、50五棟建筑物的誤差大于4m之外，其他建筑物的高度誤差都控制在4m以內(nèi)。因此，利用建筑物陰影進行建筑物高度估算是可行的，可以為城市三維建模及城市限高等方面工作提供支撐。

圖7 建筑物估算高度與理論樓高的分布情況

四、總結(jié)

高分辨率衛(wèi)星影像是輔助城市發(fā)展決策的重要幫手，結(jié)合長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司現(xiàn)有技術(shù)，利用衛(wèi)星廣域覆蓋快速響應(yīng)能力和全域詳查的技術(shù)優(yōu)勢，通過影像的快速處理分析和智能解譯，在自然資源普查、城市部件普查、城市規(guī)劃監(jiān)管、生態(tài)環(huán)境評價、城市空間形態(tài)演變、城市綠化建設(shè)、災(zāi)后救援等多方面進行全方位的監(jiān)測，將有效補充現(xiàn)有監(jiān)測手段，將常規(guī)的點位監(jiān)測形式，拓展為對研究區(qū)面域監(jiān)測，使城市管理從空間尺度和時間尺度都取得了極大進步，為城市規(guī)劃設(shè)計提供精確的科學(xué)依據(jù)，為推動城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)及智慧城市的建設(shè)提供重要支撐。